SE534879C2 - Metod, system och bergborrningsanordning för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg vid bergborrning - Google Patents

Abstract

23 åammandxag Füxeliggandæ uppfinning hänför sig till mætød fö: styrning avrotationsvårvtalet för etï veïktyg (3) viü an bergborrningsan~ørdninq. varvid åtminstone en hydraulmøtßr çïä; 41) är inrätw tad för ratation av nämnáa verkïyë íš), øch varvid nämnda hyd~ Us rflalmutør (l6; 41) drivs av en hydraulpumg {15; 42; EÜ) som,undæx üriït, avger ett hydraulvätskeflödæ. Mætøüæn ínnæfattarz»~ att passæra väsæntligen hela det av hydrauïpumpen iïß; è2;fiÜ} avgivna hydraulvštskeflödët genmm nämnda åtminßtßne än10 hydraulmøtor (16: ål), øcà ~ att styra nämnda från hydraulpumpen (15: 42* ëü) avgivnahydraulvätskeflöde, varvid det av hydraulvänskeflöiet direktäæroænüe røtationævarvtalæt has hydraulmntorn (lå: 41), Gch därmad hos verktyget (3), styrs. r: Uppfínningen hänför sig även till ätt sysïem man en bergborrw ningsanwrdninq. 'Y fin; . ;-_~,

Description

20 25 534 B79 Oljeflödet till den hydraulmotor som styr borrsträngens rota- tion kan t.ex. regleras genom att med hjälp av en proportio- nell riktningsventil styra ut en del av det totala oljeflödet från en hydraulpump till hydraulmotorn.

Vid bestämning av borrsträngens rotation tas i allmänhet hän- syn till att ett allt för högt varvtal kan ge upphov till ökad förslitning av stiften på grund av rotationshastigheten, medan ett för lågt varvtal kan ge förslitning på grund av att stif- ten slås in i redan krossat berg varvid en del av slagets energi åtgår till att krossa borrkax istället för berg.

Ett problem vid borrning med roterande borrsträng enligt ovan är att vid vissa rotationsvarvtal, framför allt låga rota- tionsvarvtal, kan så kallad "ryckig (jerky) rotation” uppstå, vilket innebär att rotationsvarvtalet varierar kraftigt, var- vid borrsträngens rotation blir ryckig, med följden att borr- ningshastighet minskar eller helt stannar av på grund av att borrkronans stift inte hela tiden träffar orört berg och vil- ket kan medföra att borrningen markant försämras.

Ett annat problem med dagens lösningar för rotation av borr- strängen är att oönskade energiförluster uppstår, med ökad bränsleförbrukning som följd.

Det existerar således ett behov av ett förbättrat system för styrning av rotationsvarvtalet vid bergborrning.

Sammanfattning av uppfinningen Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhanda- hålla en metod för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg vid en bergborrningsanordning löser ovanstående pro- blem. Detta syfte uppnås med en metod enligt patentkrav 1. 10 15 20 25 30 534 878 Föreliggande uppfinning hänför sig till en metod för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg vid en bergborrningsan- ordning, varvid åtminstone en hydraulmotor är inrättad för ro- tation av nämnda verktyg, och varvid nämnda hydraulmotor drivs av en hydraulpump som, vid borrning, avger ett hydraulvätske- flöde. Metoden innefattar att passera väsentligen hela det av hydraulpumpen avgivna hydraulvätskeflödet genom nämnda åtmin- stone en hydraulmotor, och att styra nämnda från hydraulpumpen avgivna hydraulvätskeflöde, varvid det av hydraulvätskeflödet direkt beroende rotationsvarvtalet hos hydraulmotorn, och där- med hos verktyget, styrs.

Grundtanken med föreliggande uppfinning är att, istället för att enligt känd teknik styra borrstångens rotation (rotations- varvtal) genom att medelst en proportionell riktningsventil avleda en större eller mindre del av det flöde som genereras av hydraulpumpen, styra hydraulpumpens flöde direkt, dvs. sty- ra hydraulpumpen på ett sådant sätt att den genererar precis, eller väsentligen precis, det flöde som erfordras för att den till hydraulpumpen anslutna hydraulmotorn, och därmed borr- strängen, ska rotera med önskat varvtal.

Detta har fördelen att väsentligen hela, eller hela flödet som hydraulpumpen avger kan ledas till hydraulmotorn utan att nå- got flöde behöver shuntas bort.

Därmed kan också flödet genom hydraulmotorn regleras utan an- vändning av en proportionalventil. I den kända tekniken leds den del av hydraulpumpens oljeflöde som inte leds genom en proportionalventil för faktisk drivning av hydraulmo- torn/motorerna tillbaka till tank utan att ledas genom hyd- raulmotorn, varvid, åtminstone i vissa driftsfall såsom vid låga varvtal, en stor del av hydraulpumpens avgivna flöde kan lO 15 20 25 30 534 879 resultera i enbart energiförluster utan att överhuvudtaget an- vändas för drivning av hydraulmotorn.

Således erhålls enligt föreliggande uppfinning en lösning där hydraulpumpens flöde är direktkopplat mot flödet genom hyd- raulmotorn. Detta medför att flödet genom hydraulmotorn, och därmed den av flödet direkt beroende rotationshastigheten, kan styras mycket exakt genom styrning av hydraulpumpen.

I den kända tekniken styrs en proportionalventil pà ett sätt som genererar ett bestämt tryckfall över proportionalventilen och därmed ett bestämt flöde (där resterande flöde från hyd- raulpumpen shuntas bort enligt ovan). Trycket i denna hydraul- krets (rotationskrets) kommer dock hela tidenflatt variera, t.ex. beroende pà det motstånd som verktyget utsätts för vid borrningen (om verktyget stöter på hårdare motstånd kommer ett högre tryck erfordras för att rotera verktyget med önskad has- tighet och vice versa), varvid konstanttryckfallsregleringen över proportionalventilen hela tiden sker vid olika arbets- punkter(absoluttrycknivàer), dvs. även om trycket över propor- tionalventilen regleras till att vara konstant kommer det ingångstryck fràn vilket tryckfallet regleras att variera med variationer i trycket i rotationskretsen.

Föreliggande uppfinning har fördelen att en lösning erhålls som både är mindre känslig för dylika tryckvariationer genom att regleringen är oberoende av dylika tryckvariationer, och där bortshuntning av flöde från hydraulpumpen undviks, varvid även risken för att ryckig rotation ska uppstå kan minskas.

Föreliggande uppfinning har även fördelen att eftersom den år oberoende av det faktiska tryck som råder i hydraulkretsen, dvs. oberoende av belastning (åtminstone upp till systemets angivna maxbelastning) kan rotationsvarvtalet styras mycket 10 15 20 25 534 879 exakt med bibehàllet önskat varvtal även oberoende av belast- ningsvariationer.

Rotationsvarvtalet för hydraulmotorn, och därmed rotations- varvtalet för verktyget, vilket är direkt beroende av flödet genom hydraulmotorn, styrs alltsá genom styrning av nämnda hydraulpump, varvid nämnda hydraulpump kan styras så att det av hydraulpumpen avgivna hydraulvätskeflödet motsvarar ett önskat rotationsvarvtal för nämnda hydraulmotor. Således kan rotationsvarvtalet för verktyget styras mycket noggrant genom styrning av det av hydraulpumpen avgivna hydraulflödet.

Hydraulpumpens avgivna flöde kan styras genom reglering av hydraulpumpens deplacement och/eller varvtal. Genom att styra hydraulpumpens deplacement kan det avgivna flödet styras obe- roende av varvtalet för den kraftkälla som driver hydraulpum- pens rotation. Vidare kan, i det fall kraftkällan kan varv- talsstyras, hydraulpumpens flöde för en hydraulpump med fast deplacement styras genom att styra kraftkällans varvtal.

I en utföringsform kan hydraulpumpen vara förbunden med kraft- källan via en växelmekanism, i vilket fall det även är möjligt att styra hydraulpumpens varvtal oberoende av varvtalet för den kraftkälla som driver hydraulpumpens rotation.

Ytterligare kännetecken för föreliggande uppfinning och förde- lar därav kommer att framgå ur följande detaljerade beskriv- ning av exempelutföringsformer och de bifogade ritningarna.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar en bergborrningsanordning vid vilken föreliggande uppfinning med fördel kan tillämpas. 10 15 20 25 534 879 Fig. 2 visar en anordning för styrning av rotationsvarvtalet vid borrning enligt en exempelutföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 3 visar ett exempel pà ett hydraulflödesschema enligt den i fig. 2 visade exempelutföringsformen av föreliggande uppfin- ning.

Fig. 4 visar ett exempel pà ett hydraulflödesschema enligt en alternativ exempelutföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 5 visar en anordning för styrning av rotationsvarvtalet vid borrning enligt en alternativ exempelutföríngsform av fö- religgande uppfinning.

Fig. 6 visar en anordning för styrning av rotationsvarvtalet vid borrning enligt känd teknik.

Detaljerad beskrivning av exempelutföringsformer I fig. 1-2 visas en första exempelanordning enligt föreliggan- de uppfinning som med fördel kan användas för styrning av ro- tationsvarvtalet vid borrning, varvid risken för att ryckig rotation ska uppstå kan minskas eller alternativt elimineras.

Borrstàngens rotation kan åstadkommas med hjälp av en eller flera hydraulmotorer. I den i fig. 1-2 visade utföringsformen genereras dock rotationen av en hydraulmotor.

Fig. 1 visar en bergborrningsanordning innefattande en borrigg 1, i detta exempel en ovanjordborrníngsrigg, vilken uppbär en borrmaskin i form av en topphammarborrmaskin 11.

Borríggen 1 visas i användning, borrandes ett hål 2 i berg, vilket börjar vid jordytan och där borrningen för närvarande befinner sig vid ett djup d. Hålet är avsett att resultera i ett häl med djupet B, vilket, beroende på tillämpningsområde, 10 15 20 25 30 534 B75 kan variera stort från hål till hål och/eller tillämpningsom- råde till tillämpningsområde. Det avslutade hålet anges med streckade linjer. (Det visade förhållandet mellan borriggshöjd och håldjup år inte på något sätt avsett att vara proportio- nerligt. Borrens totala höjd y kan till exempel vara 10 meter, medan håldjupet ß kan vara både mindre än och väsentligt myck- et större än 10 meter, t.ex. 20 meter, 30 meter, 40 meter el- ler mer.) Topphammarborrmaskinen 11 år via en borrsläde 13 monterad på en matarbalk 5. Matarbalken 5 är i sin tur fäst till en bom 19 via en matarbalkshàllare 12. Topphammarborrmaskinen ll till- handahåller, via en borrsträng 6 som stöds av ett borrsträng- stöd 14, slagverkan på ett borrverktyg i form av en borrkrona 3, vilken vanligtvis innefattar skär eller stift av hårdme- tall, diamant e.d., vilka överför stötvågsenergi från toppham- marborrmaskinen 11 till berget. Borrsträngen 6 består av prak- tiska skål vanligtvis av ett antal borrstånger som skarvas till varandra vartefter borrningen fortskrider.

Topphammarborrmaskinen ll är av hydraulisk typ, varvid den ef- fektförsörjs av en hydraulpump 10, vilken i sin tur drivs av en kraftkälla i form av en förbränningsmotor 9 (såsom t.ex. en dieselmotor) via slangar (ej visat) på sedvanligt sätt. Alter- nativ kan kraftkällan 9 utgöras av t.ex. en elmotor.

Det vid borrningen krossade berget, borrkaxet, spolas ut ur hålet 2 medelst ett spolningsmedium såsom t.ex. komprimerad luft.

Borrstängerna utgörs av tjockväggiga rör, t.ex. av stål, var- vid en genom stängernas väggar bildad kanal genom borrsträngen används för att mata spolningsmediumet genom borrsträngen 6 för utsläpp nära borrkronan 3. Den komprimerade luften spolar borrkaxet uppåt genom och ut ur hålet 2, såsom indikeras av de uppåtriktade pilarna i fig. 1. Istället för komprimerad luft 10 15 20 25 30 534 879 kan andra spolningsmedium likaväl användas, till exempel vat- ten, med eller utan tillsatsmedel. Den komprimerade luften ma- tas till borrsträngen 6 från en kompressor 8 via en slang 7. Även kompressorn 8 drivs av förbränningsmotorn 9. Borriggen 1 innefattar vidare en hydraulpump 15 för drivning av en hyd- raulmotor 16, vilken roterar borrsträngen 6 under borrning.

Förbränningsmotorn 9 utgör borriggens primära effektförsörj- ningsaggregat, och bör därför vara tillräckligt kraftfull för att samtidigt kunna driva både kompressorn 8 och hydraulpum- parna 10, 15 vid full hastighet, liksom även kylfläktar och andra anordningar, såsom t.ex. ev. ytterligare hydraulpumpar för drivning av andra på bergborrningsanordningen hydrauliskt styrda funktioner, och vilka erfordras vid de borrningsförhâl- landen som erfordrar maximalt effektuttag. Borriggen innefat- tar även en styrenhet 18, vilken utgör en del av borriggens styrsystem och vilken kan användas för styrning av diverse funktioner, såsom t.ex. rotation av borrsträngen enligt före- liggande uppfinning.

I fig. 2 visas systemfunktionen för rotationen av borrsträngen 6 i fig. 1 enligt en första exempelutföringšform mer i detalj.

Hydraulpumpen 15 drivs enligt ovan av den i fig. 1 visade för- bränningsmotorn 9, där hydraulpumpen 15 är förbunden med en frán förbränningsmotorn utgående axel 20. Förbränningsmotorn 9 drivs vanligtvis med ett förhållandevis konstant varvtal. Även om kraftkällan (förbränningsmotorn) vanligtvis kan drivas vid olika, väsentligen konstanta varvtal, vilka är anpassade för olika driftsfall, måste kraftkällan fortfarande hålla åtmin- stone ett visst minsta varvtal för att önskad funktion ska kunna säkerställas för samtliga pà borriggen anordnade och till förbränningsmotorn 9 anslutna förbrukare.

Hydraulpumpens 15 flöde leds (via en riktningsventil 21, vil- ken beskrivs nedan) till hydraulmotorn 16, vilken roterar 10 15 20 25 30 534 B79 borrsträngen 6 via en från hydraulmotorn 16 utgående axel 17, vilken kan vara kopplad till borrsträngen antingen direkt, men företrädesvis via en växel 24 för att möjliggöra att borr- strängen kan rotera med ett lägre varvtal än motorvarvtalet.

Borrsträngens 6 rotationsriktning styrs av hydraulmotorns 16 rotationsriktning, och för att möjliggöra rotation av borr- strängen 6 i bägge riktningar kan flödesriktningen genom hyd- raulmotorn växlas. Detta àstadkoms med hjälp av en riktnings- ventil 21, vilken bestämmer rotationsriktningen för hydraulmo- torn 16. Borrning sker normalt vid en och samma rotationsrikt- ning, men när en borrsträng bestående av flera sammangängade borrstänger ska tas isär efter avslutad borrning kan borr- strängen roteras i motsatt riktning för att lösgöra borrstäng- erna från varandra. Riktningsventilen 21 visas mer i detalj i hydraulflödesschemat i fig. 3, där hydraulflödet i rotations- kretsen enligt uppfinningen áskàdliggörs mer i detalj. Rikt- ningsventilen 21 är en riktningsventil som är antingen öppen eller stängd. När riktningsventilen aktiveras åt något av hål- len leds oljeflödet fràn hydraulpumpen 15 genom riktningsven- tilen 21 till hydraulmotorn 16. Hydraulmotorns rotationsrikt- ning bestäms genom att antingen försätta riktningsventilen 21 i läge (a) eller (b) (i viloläget (C) är flödet till hydraul- motorn, och därmed borrsträngens rotation, stoppad). önskad rotationsriktning styrs med hjälp av styrtryck A respektive B för styrning av riktningsventilen 21 till läge (a), respektive läge (c). Tryckavlastade styrtryck eller tryckjämvikt instäl- ler ventilen i läge (b).

Hydraulmotorns 16 returflöde leds sedan tillbaka till rikt- ningsventilen 21 och vidare till tank 31 (hydraulmotorns re- turflöde måste dock inte nödvändigtvis ledas tillbaka till tank via riktningsventilen, utan kan t.ex. ledas direkt till tank). Rotation av hydraulmotorn genereras således på detta 10 15 20 25 30 534 B79 10 sätt, varvid hydraulmotorn kan rotera borrsträngen enligt OVan .

Hydraulpumpen 15 är en variabel hydraulpump. Hydraulmotorns 16 rotationsvarvtal styrs av den volym vätska (i det här fallet olja) per tidsenhet (dvs. flödet) som tillförs hydraulmotorn 16 av hydraulpumpen 15.

Direktkopplingen mellan hydraulpump och hydraulmotor har för- delen att risken för att ryckig rotation ska uppstå kan mins- kas eftersom det av hydraulpumpen avgivna flödet, i drift, dvs. när riktningsventilen står i läge (a) eller (b), i sin helhet kommer att flöda genom hydraulmotorn utan att något flöde behöver shuntas bort (se beskrivning av den kända tekni- ken i anknytning till fig. 6 nedan). Uppfinningen har därmed fördelen att energin utnyttjas på ett effektivare sätt. Hyd- raulpumpens arbete utnyttjas därmed också pà ett betydligt ef- fektivare sätt enligt föreliggande uppfinning, eftersom hyd- raulpumpen endast avger det oljeflöde som behövs för att driva hydraulmotorn. Eftersom att energiförlusterna minskar, minskas också bränsleförbrukningen.

Dessutom blir lösningen enligt föreliggande uppfinning mindre beroende av kraftkällans (förbränningsmotorns) varvtal, dvs. kraftkällans varvtal kan variera utan att onödiga förluster i rotationskretsen uppstår.

Såsom nämnts styrs hydraulpumpens flöde genom reglering av dess varvtal och/eller deplacement (dvs. avgiven vo- lym/tidsenhet vid ett visst rotationsvarvtal). I det fall hyd- raulpumpens deplacement regleras ástadkoms detta ofta med hjälp av reglerorgan i form av en eller flera regulatorer 22 (se fig. 2). Dessa en eller flera regulatorerna 22 reglerar pumpens deplacement i proportion till en given regulatorstyr- signal, och det av hydraulpumpen avgivna oljeflödet styrs se- 10 15 20 25 30 534 E73 ll dan pá ett sådant sätt att deplacementet motsvarar given styr- signal 29 och därmed resulterar i önskat rotationsvarvtal, Hydraulpumpar med variabelt deplacement utgör välkänd teknik och finns i flera olika utföringsformer, varför den faktiska regleringen av deplacementet inte beskrivs närmare här.

Styrsignalen 29 för styrning av regulatorn/regulatorerna kan t.ex. vara hydraulisk eller företrädesvis elektrisk, och kan tillföras hydraulpumpen antingen från ett av borriggoperatören styrt manöverorgan, såsom ett vred, eller från t.ex. styrenhe- ten l8. Borriggoperatören kan t.ex. ställa in önskat rota- tionsvarvtal via ett MI-gränssnitt 23, varvid styrenheten 18 sedan ombesörjer utstyrning av hydraulpumpregula- torn/regulatorerna så att ett önskat oljeflöde från hydraul- pumpen 15, och därmed också önskat rotationsvarvtal, erhålls.

Alternativt kan styrningen av rotationshastigheten vara helt automatisk, varvid styrenheten kan bestämma önskat rotations- varvtal på tillämpligt sätt. Även om styrning kan ske helt och hållet genom uppmätning av hydraulmotorns och/eller borr- strängens faktiska rotation kan de en eller flera hydraulmoto- rernas storlek (deplacement) finnas lagrad i ett minne 24 i styrsystemet för att kunna användas vid bestämning av erford- rat flöde vid styrningen.

T.ex. är det möjligt att hela tiden styra hydraulmotorns (borrsträngens) varvtal baserat pá borrmaskinens slagverksfre- kvens så att, oavsett slagverksfrekvens, det hela tiden kan säkerställas att borrkronans stift roteras till önskad plats, t.ex. genom att stiften vid nästkommande slag hela tiden ham- nar mittemellan stiftpositioner vid föregående slag.

Rotationsvarvtalet kan naturligtvis även styras oberoende av slagverkstrycket. Exempelvis kan rotationsvarvtalet styras àt- minstone delvis baserat pà borrkronans (förväntade) förslit- 10 15 20 25 30 534 B79 12 ning. I detta fall kan rotationsvarvtalet t.ex. vara beroende på den tid som förflutit sedan byte av krona eller slipning av borrkronans stift. Hänsyn kan även tas till typ av berg, var- vid rotationshastigheten kan regleras åtminstone delvis i be- roende av den bergart i vilken borrning sker.

Styrningen av rotationsvarvtalet kan även vara baserad på en godtycklig kombination av ovanstående reglermetoder.

I kombination med varvtalsgivare 25 på borrstång eller i hyd- raulmotor (ej visat), alternativt flödesgivare 26 i rotations- kretsen, kan aktuellt rotationsvarvtal bestämmas och användas av styrenheten 18 vid varvtalsregleringen.

Föreliggande uppfinning har vidare fördelen att genom att en- bart styra det av hydraulpumpen 15 avgivna flödet kan önskat rotationsvarvtal upprätthàllas oberoende av faktiskt belast- ning av borrsträngen och därmed hydraulmotorn 16. Om borr- strängens belastning ökar kommer hydraulpumpen att jobba hår- dare, dvs. fortfarande avge det av styrsignalen bestämda flö- det men vid ett högre tryck. Regleringen av rotationshastighe- ten är således oberoende av det faktiska tryck som råder i hydraulkretsen, varvid reglering av trycket inte heller er- fordras av uppfinningen. Endast i det fall belastningen av borrsträngen blir så pass hög att ett för rotationskretsen förutbestämt maximalt tryck överskrids kommer flödet automa- tiskt att minska, för att sedan öka om belastningen minskar.

Hydraulpumpen kan vara inställd till att inte avge ett högre tryck än det valda maxtrycket.

Uppfinningen har även fördelen att den så kallade "ryckiga (jerky) rotation” som, framförallt vid vissa rotationsvarvtal, och då i synnerhet vid låga rotationsvarvtal, kan uppstå en- ligt den kända tekniken kan minskas eller alternativt elimine- raS . 10 15 20 25 30 534 B79 13 Orsakerna till uppkomsten av denna ryckiga rotation kan vara flera, där den i den kända tekniken använda proportionalventi- len (beskrivs nedan) utgör en bidragande orsak.

Det kan dock fortfarande vara fördelaktigt att övervaka tryck- et i hydraulkretsen, t.ex. medelst en tryckgivare 27. Denna tryckbestämning kan t.ex. vara nödvändig för att andra delar av borrningsprocessen ska kunna styras på ett korrekt sätt.

T.ex. kan en bestämning av trycket i hydraulkretsen användas för att säkerställa att ett tillräckligt tryck råder för att inte riskera att borrsträngens skarvar mellan olika borrstäng- er lösgörs. Nämnda tryck kan även användas i syfte att detek- tera överbelastning av borrsträngen så att rotationshastighe- ten kan minskas, eller rotationen helt stängas av, för att minska risken för skador. Föreliggande uppfinning kan även an- vändas för sådan detektering. Genom att t.ex. jämföra inställd rotationshastighet med faktisk rotationshastighet (vilken kan bestämmas medelst varvtals- och/eller flödesgivare enligt ovan) kan en avvikelse mellan inställt och uppmätt värde be- ståmmas. Om sedan faktisk rotationshastighet avviker (nedåt) från inställd rotationshastighet med mer än t.ex. en viss pro- cent eller ett visst varvtal kan borrsträngen antagas vara överbelastad, varvid erforderliga åtgärder kan vidtagas.

Hittills har det antagits att hydraulpumpens kraftkälla (för- bränningsmotorn) roterar hydraulpumpen med konstant varvtal.

Beroende på t.ex. in-/urkoppling av andra laster som drivs av kraftkällan kan detta varvtal dock variera. Vanligtvis drivs kraftkällan vid något av ett flertal förutbestämda väsentligen fasta varvtal. Styrenheten 18 kan därför vara anordnad att ta hänsyn till kraftkällans (förbränningsmotorns) varvtal, vilket t.ex. kan erhållas med hjälp av en vid kraftkällans utgående axel eller hydraulpumpens ingående axel anordnad varvtalsgiva- re 28, eftersom detta bestämmer ingående varvtal på hydraul- 10 15 20 25 30 534 B73 14 pumpen. Vid ändrat varvtal kan styrenheten 18 kompensera styr- signalen till hydraulpumpen med hänsyn tagen till det ändrade varvtalet så att inställt flöde, och därmed rotationsvarvtal, upprätthålls.

I fig. 4 visas hydraul- (rotations-) kretsen för en alternativ utföringsform av föreliggande uppfinning. I den i fig. 4 visa- de utföringsformen är hydraulmotorn 41 direkt förbunden med en hydraulpump 42. Hydraulkretsen utgör således ett slutet hyd- raulsystem. Hydraulmotorns 41 rotationsriktning kan då bestäm- mas direkt från hydraulpumpen och dess styrning genom att sty- ra hydraulpumpens rotationsriktning. Den i fig. 4 visade lös- ningen har därmed fördelen att riktningsventilen kan uteslutas helt. Hydraulpumpen i detta system är dock, till skillnad från hydraulpumpen i fig. 2-3, helt knuten till denna funktion. Vid en lösning av den i fig. 3 visade typen kan hydraulpumpen, i de fall den inte används för att driva hydraulmotorn 16, t.ex. vid paus i borrningen eller vid förflyttning av borriggen, även användas för drivning andra hydraulpumpdrivna funktioner pà borriggen.

Ovan har uppfinningen beskrivits för fallet med en deplace- mentsstyrd hydraulpump. I en alternativ exempelutföringsform, visas schematiskt i fig. 5 och motsvarande den i fig. 2, är dock hydraulpumpen 60 istället varvtalsstyrd. I denna utfö- ringsform drivs hydraulpumpen 60 företrädesvis av en separat kraftkälla 61, såsom t.ex. en dedikerad förbränningsmotor el- ler en dedikerad elmotor. I denna utföringsform styrs kraft- källans varvtal istället för hydraulpumpens deplacement, var- vid hydraulpumpens varvtal, och därmed flöde, kan styras på önskat sätt. Således styrs i denna utföringsform kraftkällans varvtal istället för hydraulpumpens regulator/regulatorer, varvid fördelar motsvarande de ovanstående uppnås även med denna utföringsform. I detta fall kan därför en styrsignal 62 10 15 20 25 30 534 B75 15 genereras pà motsvarande sätt som ovan med hjälp av en styren- het 18, men där styrsignalen skickas antingen direkt till kraftkällan 61 (visas streckat) eller alternativt till en styrenhet 63 som ansvarar för styrning av kraftkällans 61 varvtal.

Det är även möjligt att styra hydraulpumpens varvtal vid ett system där kraftkällans varvtal är konstant. I detta fall styrs hydraulpumpens varvtal med hjälp av att styra en växel av lämplig typ mellan kraftkälla och pump.

I fig. 5 visas inga givare/sensorer, men dylika kan naturligt- vis användas på ett sätt motsvarande vad som har beskrivits i anknytning till fig. 2. Vidare visas riktningsventilen 21 streckad då även den i fig. 5 visade lösningen fungerar med eller utan riktningsventil.

Varvtalsstyrning enligt ovan kan även kombineras med deplace- mentsstyrning enligt ovan, varvid både styrning av kraftkäl- lans (hydraulpumpens) varvtal och hydraulpumpens deplacement sker.

I fig. 6 visas ett system för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg enligt känd teknik och som kommer att beskri- vas i anknytning till en borrigg av den i fig. 1 visade typen.

En hydraulpump 51 drivs enligt ovan av en förbränningsmotor med ett förhållandevis konstant varvtal, varvid hydraulpumpen 51 drivs med ett väsentligen konstant varvtal för att därmed också ge ett väsentligen konstant hydraulvätskeflöde.

Hydraulpumpens flöde leds till hydraulmotorn 52, vilken rote- rar en borrsträng 56 via en frán hydraulmotorn 52 utgående axel 57, vilken precis som ovan kan vara kopplad till borr- strängen via en växel 58. Borrsträngens 56 rotationsriktning styrs av hydraulmotorns 52 rotationsriktning, och för att möj- 10 15 20 25 30 534 B79 16 liggöra rotation av borrsträngen 56 i bägge riktningar används ett proportionalventilblock 50, vilket även fungerar som rikt- ningsventil och vilket med sina tre respektive lägen a,b,c möjliggör rotation i de tvà respektive rotationsriktningar- na(a,c) respektive stoppad rotation (b). Önskad rotationsriktning styrs med hjälp av styrtryck A re- spektive B för styrning av proportionalventilblocket 50 till läge (a), respektive läge (c). Styrtryckens storlek styr även flödet (öppningsarean) genom proportionalventilblocket 50 fram till rotationsmotorn. Tryckavlastade styrtryck eller tryckjäm- vikt inställer ventilen i läge (b).

För att en given styrsignal A, B, ska resultera i ett önskat flöde fram till rotationsmotorn 52 erfordras att tryckfallet över proportionalventilen 50 är konstant. Detta tryckfall be- stäms med hjälp av en tryckbegränsare/shuntventil 53. Shunt- ventilen 53 känner av trycket före och efter proportionalven- tilen S0, och upprätthåller det önskade tryckfallet med hjälp av fjädern 54 genom att blöda av delar av det konstanta pump- flödet direkt till tank 55.

Styrning av rotationen av hydraulmotorn, och därmed borr- strängen, àstadkoms således med hjälp av styrsignalerna (trycken) A, B och att medelst shuntventilen 53 reglera tryck- et över proportionalventilen 50. Shuntventilens 53 stryparea anpassas så att trycket över proportionalventilen hela tiden hålls på en konstant nivå. Eftersom flödet genom en strypning beror av stryparea och tryckfall kommer, genom att tryckfallet hålls konstant, en konstant strypning att resultera i ett kon- stant flöde genom hydraulmotorn. Borriggens operatör kan där- med ställa in önskad rotationshastighet (och -riktning) genom att reglera proportionalventilens öppningsarea med hjälp av styrsignalerna A, B. 10 15 20 534 B79 17 Vid en liten öppningsarea i proportionalventilen 50 erfordras endast ett litet flöde för att uppnå önskat tryckfall, således avleds i detta fall en stor del av pumpflödet till tank 55 med hjälp av shuntventilen 53. Vid en stor öppningsarea i propor- tionalventilen gäller det omvända. Även om den i fig. 6 visade lösningen för rotation av horr- strängen i många driftsfall uppvisar god funktion har den fle- ra nackdelar jämfört med föreliggande uppfinning. Beroende på aktuell utstyrning av proportionalventilen 50 kommer en större eller mindre andel av hydrauloljan fràn hydraulpumpen 51 di- rekt att shuntas till tank 55 med hjälp av shuntventilen 53, varvid således, framförallt vid låga rotationshastigheter (låga flöden genom proportionalventilen och stort flöde som direkt shuntas bort via shuntventilen), oönskade energiförlus- ter uppstår.

Dessutom kan alltså så kallad ”ryckig (jerky) rotation” upp- stå, framförallt vid vissa rotationsvarvtal, och då i synner- het vid låga rotationsvarvtal.

Orsakerna till uppkomsten av denna ryckiga rotation kan vara flera, och proportionalventilen/shuntventilen utgör en bi- dragande orsak, vilken alltså undviks enligt föreliggande upp- finning enligt ovan.

Claims (20)

10 15 20 25 534 B73 18 Patentkrav

1. Metod för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg (3) vid en bergborrningsanordning, varvid åtminstone en hyd- raulmotor (16; 41) är inrättad för rotation av nämnda verktyg (3), och varvid nämnda hydraulmotor (16: 41) drivs av en hyd- raulpump (15: 42: 60) som, vid borrning, avger ett hydraul- vätskeflöde, varvid metoden innefattar: - att passera väsentligen hela det av hydraulpumpen (15; 42; 60) avgivna hydraulvätskeflödet genom nämnda åtminstone en hydraulmotor (16: 41), och - att styra nämnda från hydraulpumpen (15; 42; 60) avgivna hydraulvätskeflöde, varvid det av hydraulvätskeflödet direkt beroende rotationsvarvtalet hos hydraulmotorn (16: 41), och därmed hos verktyget (3), styrs.

2. Metod enligt krav 1, varvid hydraulpumpens (15: 42; 60) av- givna flöde styrs genom styrning av hydraulpumpens (15: 42: 60) deplacement och/eller varvtal.

3. Metod enligt något av kraven 1-2, varvid nämnda styrning av nämnda hydraulpump (15: 42; 60) styrs av en styrenhet (18), varvid metoden innefattar att från nämnda styrenhet (18) avge en styrsignal (29: 62) till reglerorgan (22: 63) för reglering av nämnda hydraulpump (15: 42; 60), varvid nämnda styrsignal (29: 62) innefattar en representation av ett önskat från nämn- da hydraulpump (15: 42; 60) avgivet flöde.

4. Metod enligt krav 3, varvid bestämning av nämnda styrsignal (29; 62) utförs åtminstone delvis baserat på en representation av verktygets och/eller hydraulmotorns (16: 41) rotationshas- tighet. 10 15 20 25 534 B75 19

5. Metod enligt krav 3 eller 4, varvid bestämning av nämnda styrsignal (29: 62) utförs åtminstone delvis baserat på aktuellt flöde till hydraulmotorn (16: 41).

6. Metod enligt något av kraven 3-5, varvid nämnda hydraulpump drivs av en kraftkälla, och varvid bestämning av nämnda styr- signal (29: 62) utförs åtminstone delvis baserat pà kraftkäl- lans varvtal.

7. Metod enligt något av kraven 3-6, varvid nämnda hydraulpump (15:42) styrs genom reglering av varvtalet för hydraulpumpens (15:42) kraftkälla.

8. Metod enligt något av kraven 3-7, varvid nämnda styrning sker automatiskt.

9. Metod enligt något av kraven 3-8, vidare innefattande att, vid nämnda styrning: - bestämma en faktisk rotationshastighet för nämnda verktyg, - jämföra nämnda faktiska rotationshastighet med en önskad ro- tationshastighet, och - reglera nämnda av nämnda hydraulpump (15; 42; 60) avgivna hydraulvätskeflöde baserat på nämnda jämförelse.

10. Metod enligt något av kraven 3-7, vidare innefattande att styra nämnda av nämnda hydraulpump (15: 42; 60) avgivna hyd- raulvätskeflöde åtminstone delvis baserat frekvensen för ett slagverk och/eller verktygets förslitning.

11. Metod enligt något av föregående krav, varvid metoden vi- dare innefattar att minska rotationshastigheten för, eller stoppa rotationen av, nämnda verktyg om trycket för nämnda från nämnda hydraulpump (15: 42; 60) avgivna hydraulvätskeflö- de överstiger ett första tröskelvärde. 10 15 20 25 30 534 879 20

12. System för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg (3) vid en bergborrningsanordning, varvid åtminstone en hyd- raulmotor (16; 41) är inrättad för rotation av nämnda verktyg (3), och varvid nämnda hydraulmotor (16; 41) är anordnad att drivas av en hydraulpump (15: 42; 60) som, vid borrning, avger ett hydraulvätskeflöde, kännotecknad av att systemet är inrät- tat på så sätt att, vid borrning, väsentligen hela det av hyd- raulpumpen (15: 42; 60) avgivna hydraulvätskeflödet passerar genom nämnda åtminstone en hydraulmotor (16; 41), och varvid systemet innefattar styrorgan för styrning av nämnda från hyd- raulpumpen (15: 42; 60) avgivna hydraulvätskeflöde.

13. System enligt krav 12, varvid nämnda styrorgan utgörs av en styrenhet anordnad att avge en styrsignal (29: 62) till re- glerorgan (22: 63) för reglering av nämnda hydraulpump (15: 42; 60), varvid nämnda styrsignal (29; 62) innefattar en re- presentation av ett önskat från nämnda hydraulpump (15; 42; 60) avgivet flöde.

14. System enligt krav 13, varvid nämnda reglerorgan (22: 63) för reglering av nämnda hydraulpump (15: 42; 60) utgör en el- ler flera regulatorer för reglering av hydraulpumpens (15: 42: 60) varvtal och/eller deplacement.

15. System enligt krav 13, varvid nämnda reglerorgan (22: 63) för reglering av nämnda hydraulpump (15: 42; 60) utgör regler- organ (22: 63) för reglering av varvtalet för hydraulpumpens (15: 42; 60) kraftkälla.

16. System enligt krav 12 eller 13, vidare innefattande en mellan nämnda kraftkälla och hydraulpump (15: 42; 60) anordnad växel, varvid nämnda styrorgan för styrning av nämnda från hydraulpumpen (15: 42; 60) avgivna hydraulvätskeflöde är in- rättad för styrning av styrning av varvtalet för nämnda hyd- raulpump (15: 42; 60) genom styrning av nämnda växel. 10 15 534 879 21

17. System enligt något av kraven 12-16, varvid nämnda hyd- raulmotor (16; 41) och nämnda hydraulpump (15: 42; 60) är an- ordnade att arbeta i en sluten krets.

18. System enligt något av kraven 12-16, varvid nämnda hyd- raulmotor (16; 41) är förbunden med nämnda hydraulpump (15; 42; 60) via en riktningsventil (21), varvid hydraulmotorns (16; 41) rotationsriktning är anordnad att styras med hjälp av nämnda riktningsventil (21).

19. System enligt något av kraven 12-18, varvid nämnda åtmin- stone en hydraulmotor (16; 41) är direkt förbunden med nämnda hydraulpump (15: 42; 60), varvid rotationsriktningen för nämn- da àtminstone en hydraulmotor är anordnad att styras genom styrning av rotationsriktningen för nämnda hydraulpump (15: 42; 60).

20. Bergborrningsanordning, kännetecknad av att den innefattar ett system enligt något av patentkraven 12-19.